Artikel
Metileenblou en hormese: waarom dosis-responskurwes van rigting kan verander
Een rot kry 4 milligram per kilogram metileenblou nadat hy geleer het om 'n voorwerp te herken, en die volgende dag onthou hy dit. 'n Ander rot kry 50, en hy draai skaars sy hardloopwiel. Die molekule is dieselfde. Die rigting van die uitwerking is nie. Enigiemand wat meer as 'n paar referate oor metileenblou gelees het, het hierdie omkering teëgekom, en dit het 'n naam: hormese, 'n tweefasige respons waarin lae en hoë blootstellings dieselfde eindpunt in teenoorgestelde rigtings stuur.
Die naam is net nuttig as jy weet wat dit wel en nie beloof nie. Hierdie artikel bespreek vier gepubliseerde datastelle oor metileenblou, elk met sy eie eindpunt, konsentrasiebereik en proefopstelling, en wys waarom die kleurstof se chemie sulke omkerings aanneemlik maak. Dit eindig met die waarskuwing waarop die data aandring: 'n kurwe wat in een eksperiment 'n hoogtepunt bereik, beskryf daardie eksperiment; dit is nie 'n metode om 'n persoonlike dosis te kies nie.
Die patroon het 'n naam, en die naam se betekenis is nouer as wat dit klink
Die term hormese is in 1943 deur Southam en Ehrlich geskep en deur Calabrese en Baldwin in sy moderne kwantitatiewe vorm beskryf: 'n aanpassende, tweefasige respons wat regstreeks ontstaan of deur kompensasie nadat homeostase versteur is. Let op wat in daardie definisie ontbreek. Die woord voordelig kom nie daarin voor nie. Hormese sê die kurwe verander van rigting, niks meer nie.
Die vorm wat jy sien, hang af van watter eindpunt op die vertikale as staan. Wanneer die eindpunt 'n positiewe funksie soos ensiemaktiwiteit, suurstofverbruik of geheuetelling is, vorm stimulasie by lae dosisse gevolg deur inhibisie by hoë dosisse 'n omgekeerde U. Wanneer die eindpunt iets nadeligs is, soos siekte-insidensie, vorm onderdrukking by lae dosisse gevolg deur versterking by hoë dosisse 'n J of U. Dieselfde verhouding, 'n ander ordinaat. Die meeste navorsing oor metileenblou meet positiewe funksies, daarom praat hierdie artikel van omgekeerde U-kurwes, met die verstandhouding dat die letter van die alfabet 'n keuse in die grafiekvoorstelling is.
Die oorsig van 2008 wat metileenblou se hormetiese response saamgevat het maak die skaal konkreet. Oor gedrag, fisiologie en biochemie heen bereik response binne die stimulerende gebied ongeveer 130 tot 160 persent van die kontrole, met 'n gemiddelde naby 140, voordat dit terugval deur die kontrolevlak en dan daaronder namate die dosis verder styg. Daardie band is 'n opsomming van baie eksperimente, nie 'n eienskap van die molekule nie. Elke kurwe hieronder het sy eie hoogtepunt in sy eie eenhede.
Waarom juis hierdie molekule van rigting behoort te verander
Metileenblou is nie bloot 'n elektronskenker nie. Dit is 'n omkeerbare pendelaar. Die geoksideerde blou vorm neem elektrone op en word die kleurlose gereduseerde vorm, en die gereduseerde vorm kan daardie elektrone verder stroomaf oordra. Die elektronoordrag agter hierdie kurwes word beskryf in die uiteensetting van hoe metileenblou elektrone beweeg, en die pendelwerking is hier die kern van die saak.
By lae konsentrasies bied daardie siklus 'n alternatiewe roete vir respirasie. Die gereduseerde kleurstof kan by sitochroomoksidase, die laaste ensiem van die elektrontransportketting, geoksideer word. Dit verhoog die ensiem se omset, saam met suurstofverbruik en respirasiekapasiteit. By hoër konsentrasies begin dieselfde elektronhonger chemie met die normale ketting meeding in plaas daarvan om dit te ondersteun: dit lei elektrone van hul gewone roete af, verbruik suurstof regstreeks en genereer reaktiewe suurstofspesies eerder as bruikbare energie. 'n Klein katalitiese pendelaar beteken meer vloei; 'n oormatige mededingende elektronput beteken minder. Die chemie maak 'n rigtingsverandering aanneemlik, maar waarborg niks oor waar enige bepaalde eindpunt sy hoogtepunt sal bereik nie.
Onafhanklike bewyse vir die konsentrasie-afhanklikheid kom van selle wat glad nie mitochondria het nie. In die eritrosieteksperimente van 1976 het 'n lae konsentrasie van 1 micromolar die heksosemonofosfaatroete gestimuleer deur 'n meganisme wat sterk van oksihemoglobien afhanklik was. Daarteenoor was 'n honderdvoudig hoër konsentrasie van 0.1 millimolar skaars afhanklik van die teenwoordigheid van oksihemoglobien en het dit waterstofperoksied gegenereer volgens al drie gebruikte toetsmetodes. Dieselfde kleurstof, twee meganismes, geskei deur konsentrasie. Rooibloedselle kan nie respireer nie, dus is dit nie 'n mitochondriale kurwe nie. Dit wys egter hoe die kleurstof se redokschemie van aard verander namate die konsentrasie styg, presies wat die mitochondriale verklaring vereis.
Vier kurwes, vier opstellings
Die figuur hieronder teken die vier datastelle langs mekaar oor. Elke paneel behou sy eie asse en toestande, want om hulle op een skaal oor mekaar te plaas, sou die eerste leuen wees wat hierdie artikel kon vertel. Die tekening is skematies; presiese waardes en toestande verskyn in die teks.
Paneel A: sitochroomoksidase in rotbreinhomogenaat. Die duidelikste mitochondriale kurwe kom uit 'n sekondêre bron: dit is in die oorsig geteken uit data oor rotbreinhomogenaat. Die aktiwiteit is ongeveer 138 persent van die kontrole by 0.5 micromolar, keer terug na die kontrolevlak naby 5 micromolar en daal onder die basislyn naby 10 micromolar, waar die outeurs voorstel dat die kleurstof elektrone van die ketting se normale komplekse wegneem. Homogenaat, micromolar, spektrofotometriese toets. Daardie sin is die hele konteks, en die kurwe beteken niks daarbuite nie.
Paneel B: rotgeheue en wielhardloop. In die studie oor rotgeheue is enkele inspuitings ná opleiding 24 uur later getoets. Dosisse van 1 tot 10 milligram per kilogram het voortbeweging en voedselinname ononderskeibaar van die soutoplossingkontrole gelaat. Daarteenoor het 50 tot 100 milligram per kilogram wielhardloop skerp verminder ('n mediaan van 35 teenoor 279 omwentelings), en die hoogste dosis het piloëreksie, ongekoördineerde beweging en een sterfte veroorsaak. Die dosis van 4 milligram per kilogram het gewenning en voorwerpherkenning verbeter: behandelde rotte het byna 10 sekondes langer aan die nuwe voorwerp bestee. Suurstofverbruik in die brein het toegeneem in sowel homogenaat wat aan lae micromolar-konsentrasies van die gereduseerde kleurstof blootgestel is as breine wat 24 uur ná 1 milligram per kilogram in vivo verkry is. Let op die onderskeid: vir gedrag is sistemiese dosisse ná opleiding gebruik; vir suurstofverbruik is homogenaatkonsentrasies plus een in vivo-dosis gebruik. Dit is twee eksperimente, nie een kurwe nie.
Paneel C: sebravisse in 'n T-doolhof. Die sebravisstudie het opgeleide visse ná opleiding vir 12 uur in nominale badkonsentrasies van 0.1, 0.5, 5.0 of 10.0 micromolar ondergedompel, met 'n blou voedselkleurstof as kontrole. Die groep by 0.5 micromolar het die beste gevaar, die 5.0-groep het dieselfde as die kontrole gevaar, en die 10.0-groep het swakker as die groepe met laer dosisse gevaar. Twee voorbehoude hoort by die paneel. 'n Badkonsentrasie in micromolar is nie 'n bloed- of breinkonsentrasie in micromolar nie; verspreiding en ophoping lê tussen die tenkwater en die weefsel. Verder is die statistiese bewyse swakker as wat die vorm suggereer: die hoë dosis het van die groepe met laer dosisse verskil, maar geen ander beduidende verskille tussen groepe is gerapporteer nie. Die kurwe is werklik, maar grof.
Paneel D: die eritrosietroete. Metz en kollegas het 1 micromolar met 0.1 millimolar in menslike rooibloedselle vergelyk onder lug, koolstofmonoksied en 'n mengsel wat by fisiologiese suurstofdruk byna volledige karboksihemoglobienvorming gelewer het. Stimulasie by die lae dosis het sonder oksihemoglobien ineengestort; stimulasie by die hoë dosis is skaars geraak. Peroksied het net by die hoë dosis verskyn. Hierdie paneel hoort langs die ander as chemie, nie as 'n vierde punt op 'n oorkoepelende kurwe nie: geen mitochondria, 'n honderdvoudige konsentrasiegaping, gemanipuleerde gasmengsels.
Waarom die hoogtepunte nie ooreenstem nie, en ook nie behoort te nie
Die vier hoogtepunte lê by 0.5 micromolar in 'n homogenaat, 4 milligram per kilogram wat ná opleiding ingespuit is, 0.5 micromolar in tenkwater, en 'n lae-teenoor-hoë paar wat honderdvoudig van mekaar verskil in rooibloedselle. Om enige twee as dieselfde getal te behandel, is 'n kategoriefout. Elke eindpunt het sy eie kurwe: die optimum vir geheue hoef nie ooreen te stem met die optimum vir oksidaseaktiwiteit, suurstofverbruik, voortbeweging of peroksiedproduksie nie. Elke konsentrasie-eenheid beteken iets anders: micromolar in homogenaat, nominale micromolar in 'n bad, sistemiese milligram per kilogram, en plasma-, brein- en mitochondriale konsentrasies is verskillende groothede. Metileenblou se neiging om in mitochondria en die brein op te hoop, hou hulle uiteen. Elke model voeg sy eie farmakokinetiek by: spesie, toedieningsroete en tydsberekening bepaal watter weefsel aan hoeveel kleurstof blootgestel word en vir hoe lank.
Hier is die rol van dosis en toedieningsroete in metileenblou se veiligheid ook belangrik, aangesien die uitwerkings van hoë dosisse in hierdie referate — motoriese onderdrukking, ongekoördineerde beweging, een dooie rot en peroksiedvorming — tekens van toksisiteit binne hul eie opstellings is, nie veiligheidsmarges vir enigiemand anders nie. En enigiemand wat in die versoeking kom om 4 milligram per kilogram in 'n rot na 'n menslike doseringsregime om te skakel, behoort eers te lees hoe dierbevindinge met bewyse by mense verband hou: eenvoudige omskakeling van milligram per kilogram tussen spesies is onvoldoende.
Die fout om te vermy
Die omgekeerde U is verleidelik omdat dit lyk soos 'n doseringsknop waarop die ideale punt aangedui is. Dit is nie. Hormese beskryf wat met een eindpunt in een opstelling gebeur het. Voeg vier sulke beskrywings saam en jy kry vier hoogtepunte in vier eenheidstelsels, die teenoorgestelde van 'n verstelknop. Die eerlike gebruik van hierdie kurwes is vergelykend en waarskuwend: verwag dat uitwerkings met konsentrasie sal omkeer, verwag dat elke eindpunt by sy eie punt sal omkeer, en wantrou enige aanspraak wat een eksperiment se hoogtepunt leen om 'n dosis vir 'n ander spesie, toedieningsroete, weefsel of doel te regverdig. Die onderskeid tussen eksperimentele patrone en persoonlike doseringsbesluite is die kern van hierdie hele artikel, nogmaals gestel sodat dit nie misgekyk word nie.
Hoe om die volgende dosis-responsreferaat te lees
Vier vrae pas by feitlik elke metileenbloukurwe wat jy sal teëkom. Watter eindpunt is op die vertikale as, en sou die omkering daarvan 'n U of 'n J vorm? Watter konsentrasie word werklik op die horisontale as gerapporteer: nominale badkonsentrasie, homogenaat, plasma, beraamde breinkonsentrasie of toegediende sistemiese dosis? Watter model en tydsberekening het dit opgelewer: homogenaat, selkultuur met die ligte aan of af, opgeleide diere wat voor of ná opleiding gedoseer is, en wanneer is hulle getoets? En wat was die kontrole: soutoplossing, blou voedselkleurstof of draermiddel, en ondersteun die referaat se statistiek elke aanspraak oor paarsgewyse verskille of slegs die algehele vorm? 'n Referaat wat al vier beantwoord, is jou tyd werd. Een wat 'n hoogtepunt sonder hulle rapporteer, het jou 'n getal sonder 'n adres gegee.